【Angew. Chem.】光控色彩与偏振双调节！一文解析3种分子光开关如何赋能纤维素液晶材料

文章标题：Tuning the Circularly Polarized Reflection from Cholesteric Hydroxypropyl Cellulose Using Molecular Photoswitches
通讯作者： Dr. Bruno Frka-Petesic, Dr. Richard M. Parker, Prof. Silvia Vignolini 文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202520839

文章概要

本研究由英国剑桥大学Silvia Vignolini教授团队主导，系统探索了如何通过分子光开关调控羟丙基纤维素（HPC）形成的胆甾相液晶结构，实现对结构色和圆偏振反射的可逆调控。文章首次提出将光响应分子直接掺杂进纤维素液晶体系中，而非传统的共价修饰方式，从而赋予材料光控色彩和偏振的双重调节能力，为可持续光子材料的发展提供了新思路。

HPC是一种半合成纤维素衍生物，具有生物相容性、可降解性和低成本等优势。在高浓度极性溶剂中（如DMSO），HPC能自组装形成胆甾相液晶结构，其螺距决定了材料的反射波长，从而呈现出鲜艳的结构色。作者选取了三类光响应分子进行掺杂：①无手性的偶氮苯衍生物（1）；②具有轴手性的二萘基偶氮苯衍生物（2和2′，分别含不同取代基）；③光致变色的螺吡喃（SP-3），可在紫外光照射下转化为有色的美罗氰（MR-3）。

研究发现，掺杂0.1 wt.%的无手性光开关1即可实现HPC液晶反射色在蓝光（495 nm）至红光（605 nm）之间的可逆调控，归因于光致trans-cis异构化导致分子构型体积增加，从而拉伸液晶螺距。该过程在紫外（365 nm）和蓝光（455 nm）交替照射下表现出良好的循环稳定性和疲劳抗性。热致效应实验表明，紫外照射引起的温升仅贡献了约13%的红移，主要色彩变化源于光致构型变化。

进一步地，作者引入具有轴手性的光开关2和2′，并分别合成其R/S对映体。结果显示，不同手性分子对HPC液晶的螺距和偏振状态产生显著影响：S-2和S-2′导致反射色偏蓝，R-2和R-2′则偏绿，且随着浓度增加，色差进一步扩大。圆偏振反射测试表明，S型分子在光照后会显著降低右旋偏振反射强度（DCP值从+0.69降至+0.21），而R型分子则保持稳定。这种差异被归因于分子手性与HPC本身右旋结构之间的相互作用，可能引发螺旋畸变甚至Helfrich-Hurault弹性不稳定性。

此外，作者还将螺吡喃SP-3引入体系，发现其紫外光照下可转化为美罗氰，产生强烈的品红色吸收，但对液晶螺距影响甚微，主要体现为热致红移。结合S-2′和SP-3的双重光响应特性，研究团队成功实现了空间可编程的光响应图案：在黑底下呈现绿色反射，在白底下则显示品红透射，展示了该体系在低能耗显示、安全标签等领域的应用潜力。

综上所述，该研究首次实现了通过掺杂分子光开关调控纤维素液晶的结构色和偏振状态，突破了传统纤维素材料响应方式的局限。无手性光开关实现了高效的色彩调控，而手性光开关则赋予了偏振调节能力，二者结合可实现多维度的光子调控。该策略不仅简化了材料制备流程，也为开发可持续、低成本的动态光子器件提供了新平台。文章最后指出，该体系在动态显示、视觉传感和防伪技术等方面具有广阔的应用前景。